CN117862230A - 一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，它涉及制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。本发明要解决现有技术难以制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的问题。方法：一、叠放密封；二、介稳态热处理及轧制；三、轧后热处理。本发明用于通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板。
Description
技术领域
本发明涉及制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。
背景技术
随着航天航空、军工和交通运输等行业的发展，对金属构件性能的要求越来越高，其服役环境更加复杂多变，低密度、高强度、耐高温和低成本是未来的方向发展，单一金属已经难以满足越来越高的综合性能要求。金属复合板融合了多种金属的特性，是提高金属材料综合性能的重要途径。Ti2AlNb基合金具有高强度、耐高温以及耐腐蚀的优良性能，服役温度超过700℃，常被用于超高音速飞行器蒙皮等高温服役环境。高强铝合金密度低、强度高、成本低，但是高温强度相对较差，因此将Ti2AlNb基合金与高强铝合金复合制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板兼顾耐高温、轻量化和低成本的特点，在跨温度区间短时服役环境具有独特的优势，特别适合用作高超音速导弹蒙皮等全服役周期只有短时超过700℃的构件，在航空航天领域有重要应用。但是，Ti2AlNb基合金与高强铝的加工温存在巨大差异，变形抗力和延展率等也存在明显差异，这使得高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的制备极为困难。
发明内容
本发明要解决现有技术难以制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的问题，进而提供一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。
一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，它是按以下步骤进行的：
一、叠放密封：
对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材的拟结合面进行打磨，然后按由下至上依次为高强铝合金板材、Ti2AlNb基合金板材及高强铝合金板材的顺序进行叠放，然后密封处理，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板；
二、介稳态热处理及轧制：
在温度为250℃～400℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温，然后在温度为650℃～800℃的条件下保温，保温后进行轧制，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板；
三、轧后热处理：
对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理，最后进行修整、清洗，即完成通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。
本发明的有益效果是：
一、本发明采取介稳态热处理，第一段热处理是在较低温度下保温较长时间，增加了两种金属板的塑性，缩短了第二段热处理的时间，防止高强铝合金熔化；第二段热处理是在较高温度下短时保温，Ti2AlNb的加工温度在650℃以上，而高强铝合金的熔点在650℃以下，如果长时间加热会导致高强铝合金熔化。但是在650℃下短时保温，高强铝合金处于未熔化与熔化的中间状态，仍具有一定的加工强度。该处理方式匹配了两者合金的加工强度。
二、三层复合板为高强铝/Ti2AlNb/高强铝的层叠方式，其外侧的高强铝合金与轧机的冷辊接触，加工温度低，防止高强铝合金熔化；而处于中心的Ti2AlNb基合金降温慢，在轧制过程中处于较高的可加工温度范围，增加了Ti2AlNb基合金的塑性。以上的处理方式都是为了使Ti2AlNb基合金在轧制时达到较高温度，降低加工强度，同时保证高强铝合金不熔化，实现高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的成功轧制制备。
三、高质量的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板具有优异的综合性能，能够替代目前高超音速飞行器蒙皮与结构件，实现减重和耐高温等多重功能。Ti2AlNb基合金的耐高温性能良好，能够在高超音速飞行器短时高温环境下服役，保持结构完整性。本发明制备的三层复合板结构，塑性差的Ti2AlNb基合金包裹在两层塑性良好的高强铝合金之间，当复合板发生变形时，由于两种合金存在界面连接，塑性好的高强铝合金会带动Ti2AlNb基合金进行变形，增加Ti2AlNb基合金的塑性。
说明书附图
图1为本发明制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的示意图；
图2为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；
图3为实施例二制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；
图4为实施例三制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；
图5为实施例四制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；
图6为实施例五制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；
图7为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的厚度分布图；
图8为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的数据测量图；
图9为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板在不同温度下保温3min后的拉伸曲线。
具体实施方式
具体实施方式一，结合图1具体说明：本实施方式为一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，它是按以下步骤进行的：
一、叠放密封：
对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材的拟结合面进行打磨，然后按由下至上依次为高强铝合金板材、Ti2AlNb基合金板材及高强铝合金板材的顺序进行叠放，然后密封处理，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板；
二、介稳态热处理及轧制：
在温度为250℃～400℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温，然后在温度为650℃～800℃的条件下保温，保温后进行轧制，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板；
三、轧后热处理：
对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理，最后进行修整、清洗，即完成通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。
本具体实施方式步骤二中介稳态热处理后立即进行轧制。
本实施方式的有益效果是：
一、本实施方式采取介稳态热处理，第一段热处理是在较低温度下保温较长时间，增加了两种金属板的塑性，缩短了第二段热处理的时间，防止高强铝合金熔化；第二段热处理是在较高温度下短时保温，Ti2AlNb的加工温度在650℃以上，而高强铝合金的熔点在650℃以下，如果长时间加热会导致高强铝合金熔化。但是在650℃下短时保温，高强铝合金处于未熔化与熔化的中间状态，仍具有一定的加工强度。该处理方式匹配了两者合金的加工强度。
二、三层复合板为高强铝/Ti2AlNb/高强铝的层叠方式，其外侧的高强铝合金与轧机的冷辊接触，加工温度低，防止高强铝合金熔化；而处于中心的Ti2AlNb基合金降温慢，在轧制过程中处于较高的可加工温度范围，增加了Ti2AlNb基合金的塑性。以上的处理方式都是为了使Ti2AlNb基合金在轧制时达到较高温度，降低加工强度，同时保证高强铝合金不熔化，实现高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的成功轧制制备。
三、高质量的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板具有优异的综合性能，能够替代目前高超音速飞行器蒙皮与结构件，实现减重和耐高温等多重功能。Ti2AlNb基合金的耐高温性能良好，能够在高超音速飞行器短时高温环境下服役，保持结构完整性。本实施方式制备的三层复合板结构，塑性差的Ti2AlNb基合金包裹在两层塑性良好的高强铝合金之间，当复合板发生变形时，由于两种合金存在界面连接，塑性好的高强铝合金会带动Ti2AlNb基合金进行变形，增加Ti2AlNb基合金的塑性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的高强铝合金板材为2系高强铝合金或7系高强铝合金。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的Ti2AlNb基合金板材为Ti-22Al-25Nb、Ti-23Al-17Nb、Ti-25Al-24Nb或Ti-22Al-27Nb。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的打磨具体是按以下步骤进行：依次使用200目、400目及800目的砂纸对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材进行打磨，然后清洗。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板中Ti2AlNb基合金板材与单侧高强铝合金板材的厚度比为1:(0.3～1)。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述的密封处理为沿侧表面缝隙进行涂抹高温密封胶密封或真空封焊密封。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中在温度为250℃～400℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min～20min。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中在温度为650℃～800℃的条件下保温2min～5min。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中保温后30s内在轧辊温度为室温至200℃、轧制速度为0.5m/min～5m/min及总轧制量为30％～70％的条件下进行轧制，轧制道次为一道次或二道次，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中所述的热处理具体是在温度为100℃～300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理30min～60min。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，它是按以下步骤进行的：
一、叠放密封：
对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材的拟结合面进行打磨，然后按由下至上依次为高强铝合金板材、Ti2AlNb基合金板材及高强铝合金板材的顺序进行叠放，然后密封处理，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板；
所述的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板的初始厚度为6mm；
二、介稳态热处理：
在温度为300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min，然后在温度为680℃的条件下保温3min，保温后进行轧制，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板；
三、轧后热处理：
对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理，最后进行修整、清洗，即完成通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。
步骤一中所述的高强铝合金板材为7075高强铝合金板材，厚度为2mm。
步骤一中所述的Ti2AlNb基合金板材为Ti-22Al-25Nb，厚度为2mm。
步骤一中所述的打磨具体是按以下步骤进行：依次使用200目、400目及800目的砂纸对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材进行打磨，然后使用酒精、丙酮清洗。
步骤一中所述的密封处理为涂抹代号为DB5012的无机硅铝酸盐高温密封胶密封，具体操作如下：1、按照粉末和液体1.6g:1mL称取两组分，混合调匀成可流动的糊状，得到高温胶；2、叠放后，对叠放面施加垂直压力的情况下，沿侧表面缝隙涂抹高温胶；3、涂抹后在室温下放置12h，随后放入保温炉，先在80℃保温2h，后再150℃保温2h，密封完成。
步骤二中保温后30s内在轧辊温度为室温、轧制速度为2m/min及轧制量为50％的条件下进行轧制，轧制道次为一道次，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板。
步骤三中所述的热处理具体是在温度为200℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理1h。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为260℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温20min，然后在温度为680℃的条件下保温3min。其它与实施例一相同。
实施例三：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min，然后在温度为700℃的条件下保温3min；步骤二中轧制量为16％。其它与实施例一相同。
实施例四：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min，然后在温度为700℃的条件下保温3min；步骤二中轧制量为66％。其它与实施例一相同。
实施例五：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min，然后在温度为700℃的条件下保温3min；步骤二中轧制道次为两道次，第一次轧制量为16％，第二次轧制量为40％，总扎质量为56％。其它与实施例一相同。
图2为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；图3为实施例二制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；图4为实施例三制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；图5为实施例四制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；图6为实施例五制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图。可以看出，Ti2AlNb结合金与高强铝合金变形协调且均匀，两种金属界面结合好，复合板表面质量好。所以，使用实施例的介稳态轧制方式，在不同扎质量与轧制道次下都可以制备出高质量的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板。
图7为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的厚度分布图。使用游标卡尺对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板上12个采样点进行测量，记录其厚度值。厚度范围为3.38mm～3.44mm，厚度分布均匀。
图8为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的数据测量图。通过线切割将高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板切割成长方形。使用游标卡尺测量其外轮廓尺寸，依次为：厚度为3.54mm，宽度为18.85mm，长度为54.75mm，使用天平测量其重量为11.43g。通过测量数据粗略估计高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的等效密度为3.12g/mm3，相比于Ti2AlNb基合金的密度4.5g/mm3，减重超过30％。由此得出该高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板运用在航天飞行器上可以实现减重效果。
依据GB/T 228.2-2015标准对材料进行拉伸测试；图9为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板在不同温度下保温3min后的拉伸曲线。400℃下极限应力为530MPa，500℃下极限应力为337MPa，600℃下极限应力为260MPa，650℃下极限应力为235MPa。其中，650℃接近高强铝合金的熔点，但在保温3min后依旧具有一定的强度，证明本实施例制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板可以应用于高温服役环境，甚至在高强铝合金熔点附近短期内也能保持一定的强度。
Claims (10)
1.一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：
一、叠放密封：
对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材的拟结合面进行打磨，然后按由下至上依次为高强铝合金板材、Ti2AlNb基合金板材及高强铝合金板材的顺序进行叠放，然后密封处理，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板；
二、介稳态热处理及轧制：
在温度为250℃～400℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温，然后在温度为650℃～800℃的条件下保温，保温后进行轧制，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板；
三、轧后热处理：
对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理，最后进行修整、清洗，即完成通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。
2.根据权利要求1所述的一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于步骤一中所述的高强铝合金板材为2系高强铝合金或7系高强铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于步骤一中所述的Ti2AlNb基合金板材为Ti-22Al-25Nb、Ti-23Al-17Nb、Ti-25Al-24Nb或Ti-22Al-27Nb。
4.根据权利要求1所述的一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于步骤一中所述的打磨具体是按以下步骤进行：依次使用200目、400目及800目的砂纸对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材进行打磨，然后清洗。
5.根据权利要求1所述的一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于步骤一所述的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板中Ti2AlNb基合金板材与单侧高强铝合金板材的厚度比为1:(0.3～1)。
6.根据权利要求1所述的一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于步骤一中所述的密封处理为沿侧表面缝隙进行涂抹高温密封胶密封或真空封焊密封。
7.根据权利要求1所述的一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于步骤二中在温度为250℃～400℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min～20min。
8.根据权利要求1所述的一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于步骤二中在温度为650℃～800℃的条件下保温2min～5min。
9.根据权利要求1所述的一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于步骤二中保温后30s内在轧辊温度为室温至200℃、轧制速度为0.5m/min～5m/min及总轧制量为30％～70％的条件下进行轧制，轧制道次为一道次或二道次，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板。
10.根据权利要求1所述的一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于步骤三中所述的热处理具体是在温度为100℃～300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理30min～60min。
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